模擬砷污染湖濱濕地水位變化和水體擾動對狹葉香蒲積累轉運砷的影響

王玉瑩，楊桂英，呼 喚，李丹蕾，劉云根

(西南林業大學 生態與環境學院，云南 昆明 650224)

砷是一種有毒的類金屬元素，是環境污染的五大重金屬污染物之一，在環境保護標準中，被列為第1類污染物[1].砷廣泛分布于自然界，因其與磷元素具有相似的化學性質，故易被細胞吸收導致中毒，其通過食物鏈累積，對人類健康構成嚴重威脅[2].近年來，由于采礦冶煉、含砷廢水排放等人類活動，導致環境砷污染現狀日益加劇[3].中國是世界上砷污染最嚴重的國家之一，有超過200萬人飲用水受到砷污染威脅[4-5]，諸如湘江、沘江、大沙河、陽宗海、大屯海、柴石灘等湖泊、河流水體因砷污染問題而被廣泛關注[6-7]，因此砷污染問題是中國環境污染治理的重點問題之一.

湖濱濕地是湖泊的水陸交錯區域，在攔截陸源污染、凈化湖泊水質等方面有著非常重要的作用[8].在砷污染的湖濱濕地內，修復重金屬污染的方法有很多[9]，如物理修復、化學修復、生物修復等，其中植物修復污染具有經濟有效、環境友好和操作簡便等特點[10]，是治理水土砷污染較為科學的方法.植物生物量和富集系數等直接影響植物修復污染環境的效果，香蒲作為一種適應性強的工程植物已被廣泛應用于水生污染環境的修復.狹葉香蒲是濕地常見的大型挺水植物，易于收割，且對多種重金屬耐性較強.關于濕地挺水植物在重金屬富集特性以及影響水生植物累積重金屬的因素方面已有較多研究，且主要集中在水生植物對重金屬累積量大小比較、暴露時間和濃度差異等對植物積累重金屬的影響以及根-土界面化學因子對植物吸附、吸收、積累和轉運重金屬的影響等方面[9,11-13]，但關于湖濱濕地頻繁變化的環境因子對大型濕地植物累積砷的影響研究相對較少.

1 材料與方法

1.1 供試材料供試植物為狹葉香蒲（Typha angustifoliaL.），是多年生草本植物，可濕生、沼生、水生.植株高大，根系發達，是濕地典型的挺水植物之一.供試植物取自云南省昆明市石林育苗基地，選擇生長狀況一致的幼苗作為供試材料.

供試底泥取自昆明東大溝河濱帶（底泥砷背景值為8.5 mg/kg），將底泥樣品采回后，自然風干，粉碎，裝入黑色聚乙烯塑料桶內（高42 cm，內口徑44 cm，外口徑48 cm，底徑32 cm），每桶裝入20 kg底泥，通過外源添加Na2HAsO4·7H2O得到砷質量比為300 mg/kg（以As計）的污染底泥，加水淹沒，攪拌均勻后放置2個月自然老化以模擬陽宗海湖濱濕地底泥[15]，用于后續植物種植試驗.

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計在半控制試驗場地進行模擬擾動和水位變化的實驗，試驗區設置遮雨棚，非雨天均采用自然光照.

試驗通過設置不同的上覆水深度和不同擾動強度的攪動裝置來模擬自然湖濱帶濕地環境中水位漲落和風浪擾動，試驗分別設置無水位、低水位和高水位3個水位梯度以及無擾動、低程度擾動和高程度擾動3不同擾動程度，共6種試驗條件，不同擾動處理時控制上覆水深度一致（20 cm）.每桶內等距栽種6株生長狀況一致（高度均為30 cm）的狹葉香蒲幼苗.參考滇中高原湖泊水位多年變化的研究結果以及湖濱帶水位漲落實際監測情況[16]，設置無水位（對照）為上覆水深度0 cm，低水位為上覆水深度10 cm，高水位為上覆水深度20 cm；根據攪動裝置功率計算來控制水浪擾動程度，經計算，低程度擾動設置出氣量為20 L/min，高程度攪動裝置設置出氣量為40 L/min.本試驗于2019年4月25日開始移栽狹葉香蒲幼苗，2019年10月26日進行樣品采集，在整個試驗周期，將攪動裝置置于上覆水表層，進行間歇攪動，攪動時間為每日15:00—18:00.

1.2.2 樣品采集采集整株植物及底泥樣品，將狹葉香蒲樣品從培養桶中整株移取后，先用自來水小心清洗植物根部底泥，然后用超純水洗凈植株，用濾紙吸去植株外部水分，測定植株生長指標.用不銹鋼剪刀把植株地下部分和地上部分分開，裝入牛皮紙袋，在105℃下殺青0.5 h，75℃烘干至恒重，所有樣品烘干后用粉碎機打碎，過40目篩子（孔徑0.425 mm），裝入聚乙烯自封袋密封保存備用.

將采集好的底泥樣品置于風干盤中，鋪成2～3 cm的薄層，適時壓碎、翻動，揀出碎石、植物殘體.用木棒研壓，然后去除雜物，粉碎，充分混勻，過100目篩（孔徑0.15 mm）后，裝入聚乙烯自封袋密封保存備用.

首先，詞匯問題。1.學生不識字、識字不準、識字不全、詞性不清、詞義不知，構詞不熟以及短語、習語意思不清等導致閱讀理解障礙；2.試題中的熟詞生義、熟詞新義、一詞多義、熟詞活義、一詞多詞性、同義近義轉化等詞匯現象，直接導致閱讀材料文字難度增大。所以閱讀的關鍵在于詞匯。

1.2.3 樣品測定植物總砷質量比采用HNO3-HCLO4消解，AFS-8X雙道氧化物發生原子熒光分光光度計(北京天吉公司)測定；土壤總砷含量采用王水-高氯酸法消解，AFS-8X雙道氧化物發生原子熒光分光光度計(北京天吉公司)測定.

生物富集系數（BCF）是植物吸收重金屬能力大小的評價指標，可以反映土壤-植物體系中重金屬由土壤向植物體遷移的難易程度，地下部分富集系數計算公式為：

式中，wg為狹葉香蒲地下部分砷質量比，g/kg；ws為底泥中砷質量比，mg/kg.

轉運系數（TF）是植物地上部重金屬質量比與地下部重金屬質量比的比值，反映植物體不同部位對重金屬轉運能力和吸收能力的差異，計算公式為：

式中，wa為狹葉香蒲地上部砷質量比，mg/kg；wg為狹葉香蒲地下部分砷質量比，mg/kg.

1.3 數據分析采用Microsoft Excel 2007和Origin 2018進行數據分析和作圖，SPSS 24.0進行單因素方差分析.

2 結果與分析

2.1 不同水位和擾動條件下狹葉香蒲的生物量及其分配特征生物量是植物獲取環境資源的響應指標，植物將生物量分配給不同部位是其生物學特性的一個基本方面[17].植物的地上部分易于收割，因而植物的生物量分配格局直接影響植物修復重金屬污染土壤的效果.圖1為不同水位和不同擾動程度下狹葉香蒲不同部位生物量占比.由圖1（a）可知，狹葉香蒲地上部分和地下部分總生物量在低水位處理下最高，其次是高水位處理，無水位處理下最低.狹葉香蒲生物量對地上部分的分配隨著水位的升高而顯著增加，地上部位生物量占比在低水位和高水位條件相較于無水位條件分別增加了18.42%和50.00%.對地下部位的分配則隨水位升高而顯著減少，呈現出逐漸向地上部分轉移的趨勢，與無水位相比，有水位對地上部分生物量占比存在促進作用.由圖1（b）可知，在不同擾動處理下地上部分和地下部分總生物量隨擾動強度增強而減少.不同擾動程度下，低程度擾動相比無擾動條件地上部分生物量占比降低了9.02%，而高程度擾動相較于無擾動條件地上部分生物量占比增加了15.51%.與無擾動相比，低程度擾動促進了地上部分生物量占比，而高程度擾動則抑制了地上部分生物量占比.

圖1 不同水位（a）和擾動（b）條件下狹葉香蒲不同部位生物量占比Fig.1 Biomass proportions of different parts of T.angustifolia under different water levels（a）and wave-disturbances（b）

2.2 不同水位條件下砷在狹葉香蒲內的累積和轉運特征圖2和表1分別為不同水位處理下狹葉香蒲不同部位砷質量比、富集系數和轉運系數.圖2顯示，所有水位處理下，砷主要積累在狹葉香蒲的地下部分，約為地上部分的30～80倍.地上部分砷質量比在無水位處理下最高，為6.23±0.63 mg/kg，相比無水位條件，在有水位時顯著減少了20.22%，在低水位和高水位條件下，砷質量比變化不顯著；而地下部分砷質量比在無水位和低水位條件下沒有顯著變化，在高水位條件下砷質量比最高，為336.29±26.61 mg/kg，相比低水位條件下顯著增加了62.20%.說明水位增加不利于地上部位積累砷；相比無水位和低水位條件，高水位促進地下部分吸收砷.

圖2 不同水位下狹葉香蒲不同部位的砷質量比Fig.2 Arsenic content in different parts of T.angustifolia under different water levels treatment

表1 不同水位下狹葉香蒲的富集、轉運系數及砷積累量Tab.1 Bioconcentration, transport factor and arsenic accumulation of T.angustifolia at different water levels

由表1可知，狹葉香蒲的富集系數和轉運系數在無水位和低水位條件下均無顯著變化，在高水位處理下富集系數最大，與低水位條件相比顯著提高了67.27%，而轉運系數在高水位時最小，顯著下降了66.67%，說明水位增加促進了砷在植物根部的積累.在有水位的處理下，地上部分和地下部分的砷含量均顯著增加，水位有利于狹葉香蒲積累砷.

2.3 不同擾動條件下狹葉香蒲內砷累積轉運特征不同擾動條件下狹葉香蒲不同部位砷質量比、富集系數和轉運系數如圖3、表2所示.圖3顯示，所有擾動處理下，砷主要積累在地下部分，其砷質量比約為地上部分的20～70倍.不同擾動程度下地下部分砷質量比沒有顯著變化，其范圍在（96.40±38.03）～（6.29±31.12）g/kg；在無擾動和低程度擾動條件下，地上部分砷質量比變化不顯著，在高程度擾動下地上部分砷質量比相較于低程度擾動則顯著增加，增加了135.88%.相比于無擾動和低程度擾動，高程度擾動顯著促進狹葉香蒲地上部分砷的積累.

圖3 不同擾動程度下狹葉香蒲不同部位的砷質量比Fig.3 Arsenic content in different parts of T.angustifolia under different disturbance degree

由表2可知，狹葉香蒲的富集系數則是在無擾動和高程度擾動條件下無顯著變化，低程度擾動下富集系數最小，相對于無擾動和高程度擾動條件下降低了22.83%；轉運系數隨擾動程度的增強而增加，高程度擾動相比于低程度擾動條件下則顯著增加了近1倍.隨著擾動程度的增加，地上部分的砷積累量在低程度下顯著減少，在高程度下顯著增加；而地下部分卻顯著減少，砷主要集中在根系中，狹葉香蒲砷積累總量隨擾動程度的增加而減少.

表2 不同擾動程度下狹葉香蒲的富集、轉運系數及砷積累量Tab.2 Bioconcentration,transport factor and arsenic accumulation of T.angustifolia at different disturbance levels

2.4 不同水位和擾動條件對狹葉香蒲不同部位磷/砷物質的量比（P/As）的影響磷和砷同為第Ⅴ主族元素，化學性質相似，磷和砷會競爭植物根系細胞的吸附點位，故植物體內磷和砷的比例變化也能反映植物積累砷的情況.在不同的水位處理下狹葉香蒲地上部分和地下部分磷質量比分別為1 761.23～2 179.41 mg/kg和2 160.72～2 404.31 mg/kg，在不同擾動處理下分別為1 697.61～2 064.31 mg/kg和2 053.79～2 153.81 mg/kg，狹葉香蒲地上部分和地下部分的磷質量比在不同水位和不同擾動處理下變化均不顯著.表3為不同水位和擾動下狹葉香蒲地上和地下部分的磷/砷物質的量比（P/As）.在不同水位條件下，地上部分P/As隨水位升高而顯著增加，地下部分P/As在高水位時相比無水位顯著降低；不同擾動程度下地下部分P/As沒有顯著變化，地上部分P/As則隨擾動程度的增強而顯著降低. 說明高水位條件更有利于植物地下部分對砷的積累，而隨著擾動程度的增強更利于地上部分對砷的積累.

表3 不同水位和擾動下狹葉香蒲不同部位磷/砷物質的量比（P/As）Tab.3 The molar ratio between phosphorus and arsenic in different parts of T.angustifolia under different water levels and disturbances

3 討論

3.1 不同水位對砷積累和轉運的影響在不同水位條件下，狹葉香蒲地上部分累積的砷質量比差異顯著（P<0.05），其累積的砷質量比有如下規律：無水位>低水位≈高水位；地下部分累積的砷質量比差異顯著（P<0.05），其砷質量比變化規律為無水位≈低水位<高水位.高水位淹水條件下，溶解氧含量下降，土壤處于厭氧狀態，土壤中含鐵礦物表面特異性吸附的砷可能會由于還原作用被釋放出來，使得土壤中砷的溶解度升高，有效態砷增加[18]，因而狹葉香蒲根系砷含量增加.此外，磷的存在會影響植物對砷的吸收且進一步影響砷在植物體內的遷移轉化[19].砷酸鹽與磷酸鹽在土壤膠體上可以互相代替，通過置換被吸附，磷在土壤中與砷之間的競爭作用主要發生在非特異性吸附點位上，而一些專性吸附點位對磷酸鹽和砷酸鹽的吸附具有選擇性.當水位發生變化時，土壤中不同形態的砷發生相互轉化，砷形態的改變可能會影響砷在土壤中的吸附，從而導致植物體內磷砷比例發生變化[20-21].本文中，相比無水位條件下，有水位時植物地下部分P/As顯著降低，與陳麗娜[20]的研究結果類似，表現為在高水位時植物地下部分砷質量比最大.

有研究顯示香蒲生長的適宜水深為30 cm[22]，因此在無水位條件下需要更多的能量權衡用于根系部分吸收養分，導致狹葉香蒲生物量分配傾向于地下部分（圖1（a））.隨著水位升高，根系部分的營養物質轉移至地上部分以保證繁殖器官所需，植株生物量分配格局呈現出逐漸向地上部分轉移的趨勢，同時P/As隨水位上升顯著增加.對于非砷超富集植物而言，從地下部分轉運到地上部分的砷一般只占吸收的總砷的10%～30%[23-24].任偉等[25]研究發現香蒲可以通過根部對砷的吸收富集把砷阻隔在地下部分，進而降低對植物地上部的危害度.從地下部分向地上部分轉運受限的原因可能是植物吸收的大部分As（Ⅴ）（57%～100%）被快速地還原為As（Ⅲ）后，As（Ⅲ）與硫醇螯合并封存在根部液泡所致[26].目前，研究者一致認為地下部分轉運到地上部分的主要形態是As（Ⅲ），只有少量的As（Ⅴ）被直接轉運到地上部分.即使植物暴露于As（Ⅴ），As（Ⅲ）依然是地上部砷的主要形態[27].在無水位時，地上部分砷含量相對其他水位顯著增加，可能是因為在地下部分發生的As（Ⅴ）還原反應受限，大多數As（Ⅴ）通過磷轉運子從木質部轉運到了地上部分[28].

3.2 不同擾動程度對砷積累和轉運的影響在不同擾動條件下，狹葉香蒲地上部分砷質量比差異顯著（P<0.05），其累積的砷為無擾動≈低程度擾動<高程度擾動；而擾動程度對地下部分積累砷影響不顯著.狹葉香蒲砷富集系數在高程度擾動時顯著高于低程度擾動，轉運系數則表現為高程度擾動顯著高于低程度擾動和無擾動.風浪擾動作用會改變重金屬在水-底泥顆粒中的分配平衡，使原本吸附或結合于底泥顆粒物中的重金屬得到釋放進入水體，從而提高重金屬的生物可利用性[29].池俏俏等[30]研究發現水體中的Al、Fe、Co、Cr、Pb和Ni等重金屬的可提取態含量隨著風浪擾動程度的增強出現不同程度的增大，而懸浮物中這些重金屬含量在中風浪擾動下最低，在小風浪擾動時最高.在進一步對擾動程度量化的研究[31]中發現，水體中總砷和懸浮物砷含量在低于1.8 m/s的小風浪擾動時均小于大風浪擾動，風浪擾動作用可以降低懸浮物吸附砷的能力，以至于促使砷在懸浮物中的釋放，進而使水體中的溶解態砷增加[30]，因而狹葉香蒲砷富集系數在低程度擾動時顯著小于高程度擾動這一結果可由此機理得以解釋.

隨著擾動程度的增強，雷陽等[32]研究發現上覆水中重金屬含量呈上升趨勢，Kalnejais等[33]同樣發現當擾動導致沉積物再懸浮后，擾動使得上覆水體中重金屬含量增加，狹葉香蒲根系再生長過程中會快速且大量吸收底泥-水環境中礦物元素，其中砷也被大量吸收富集在根部[23]，導致地下部分的砷含量顯著高于地上部分（圖3）.在本研究中狹葉香蒲地下部分砷質量比在不同擾動程度下無顯著變化，其原因可能是，在高程度擾動處理下，水體溶解氧增加[34]，從而使植物生長出大量須根，內部結構也發育出大量由薄壁細胞組成的通氣組織[35]，增強了無機鹽吸收能力，同時表現為地上部分生物量積累增大（圖1（b）），促使砷從地下部分向地上部分轉運.

狹葉香蒲可在大部分砷污染湖濱濕地底泥中生長，具有較強的耐受性.研究表明[25]狹葉香蒲可在砷質量比150 mg/kg以下的土壤中健康生長，在砷質量比高于600 mg/kg的土壤中毒害效應顯現，處于生長抑制，而中國水體表層底泥中As質量比為4.0～980.6 mg/kg[36].因此，在治理砷污染湖濱濕地中，狹葉香蒲具有一定的潛在應用價值.盡管不同水位和擾動條件下狹葉香蒲的轉運系數較小，僅0.01～0.05（表2），但因其具有較大的生物量，在一定條件下（砷質量比300 mg/kg）狹葉香蒲對砷提取總量可達到18.21～40.69 mg/株.因此，在開展砷污染底泥的植物修復時，建議將根系一起移除以實現最大效率的修復.

4 結論

不同水位和擾動下狹葉香蒲生物量分配差異顯著，高水位和高程度擾動時地上部分生物量分配比例最大；砷主要累積在香蒲的根部，地下部分砷含量是地上部分的20～80倍；在高水位時狹葉香蒲富集系數最高而轉運系數最低；轉運系數在高程度擾度時相較于其他擾動處理時最大，但在高水位和高擾動條件下狹葉香蒲砷積累總量最大，更利于狹葉香蒲積累砷.